Cyber-Physical Systems : Vernetzte Daten, Dinge, Dienste:

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1 Cyber-Physical Systems : Vernetzte Daten, Dinge, Dienste: Die Verschmelzung der Wirklichkeit mit dem Netz Das Beispiel vernetztes Fahrzeug Lehrstuhl für Software & Systems Engineering Technische Universität München Institut für Informatik You'll see more and more perfection of that - computer as servant. But the next thing is going to be computer as a guide or agent. Steve Jobs

2 Digitalisierung was ist das? Digitalisierung bezeichnet die Überführung analoger Größen in diskrete (abgestufte) Werte für die elektronische Speicherung, Verarbeitung, Übertragung oder Darstellung. Es wird geschätzt, dass 2007 bereits 94 % der weltweiten technologischen Informationskapazität digital war (nach lediglich 3 % im Jahr 1993). Es wird geschätzt, dass es der Menschheit im Jahr 2002 zum ersten Mal möglich war, mehr Information digital als analog zu speichern (der Beginn des Digitalen Zeitalters ) 3 Management Summary Kernergebnisse Digitalisierung des BM der 2 DGesellschaft und Wirtschaft Die vorliegende Studie bestätigt, dass das Internet ein selbstverständlicher Bestandteil der Geschäftsmodelle deutscher Unternehmen geworden ist. Für rund die Hälfte Veränderung der Kommunikation der deutschen Unternehmen spielt das Internet zumindest eine wichtige Rolle. Es zeigen sich jedoch deutliche Unterschiede zwischen Dienstleistungs- und Industriesektor. Diese sollen im Fokus dieser Auflage der Studienreihe Wirtschaft Digitalisiert stehen. des Konsumverhaltens der Arbeitswelt der Unternehmen Anzahl der Unternehmen in Deutschland Das Internet spielt im Unternehmen eine Die Auf aktuellen der anderen Daten für Seite denhalten BM 2 D unterstreichen zwei Drittel der die Befragten Relevanzdie des Internets Medien Wirtschaft. Kommunikation Sie zeigen, über dass Facebook das Internet in der für Arbeitswelt rund die Hälfte nicht derfür deutschen Medienk Un zumindest sinnvoll. eine Hauptkommunikationsmittel wichtige Rolle spielt. Etwa am Arbeitsplatz Unternehmen sind setzen jeden volleu Internet Telefon was Ihr und Geschäftsmodell , die von angeht. 94 bzw. Bei diesen 95 Prozent Unternehmen der spielt der Eins das Befragten täglich verwendet werden. Geschäftsmodellbereichen eine entscheidende Rolle. diesem Verantw Für rund 34 Prozent Erziehun Tägliche der genutzte deutschen geschäftliche Unternehmen spielt das Internet eine unt Das bedeutet jedoch was ihre Kommunikationsmittel nicht, dass diese Firmen das Internet gar nicht für ihre G nutzen. Insbesondere bei der Kundenansprache und -pflege kommt das 84 Proz Web 95 % Unternehmen Telefon: vergleichsweise 94 % oft zum Einsatz. So geben 9 Prozent an, dazu dass er Teil ihrer Soziale Kundenansprache Netzwerke: über 26 % das Internet durchführen. nutzen. Briefe und Postkarten: 14 % Im Verg Trotz dertelefax: beträchtlichen 12 % Bedeutung und Breitenwirkung des Internetsgesetzte gibt Unternehmen SMS: 10 % in Deutschland, die über keinen Internetzugang Faceboo verfüg Überdurchschnittlich Instant Messenger oft handelt & Messenger: es sich dabei 8 % um Unternehmen aus dem Ga Video-Telefonie: 6 % Das in hierbei insbesondere um kleine Restaurants. Sie kommen auch heute Micro-Blogging: 5 % Lehrer-S noch o oder Onlinebestellungen Foren: 4 % aus. Andere Branchen weisen dagegen eine untersch Anschl mehr als 90 Prozent auf. Dazu gehören insbesondere Dienstleister aus Befragte den B Wirtschaft (Statistisches Bundesamt 2012). keine Rolle 18% untergeordnete Rolle 34% zentrale Rolle 16% wichtige Rolle 33% gerundet; Quelle: IW Consult (2013) Insgesamt hat sich die Bedeutung des Internets für die deutsche Wirtschaft d zur ersten Auflage der Studie Wirtschaft Digitalisiert nicht geändert. Dies ist überraschend, da sich Quelle: ein solcher ibi research Strukturwandel wie ihn das Internet darste mehrere Jahre hinweg bemerkbar macht. Es ist jedoch davon auszugehen, d Entwicklung hin zu Industrie 4.0 dem Internet in absehbarer Zukunft eine größ für den Standort Deutschland zukommen wird. Digitalisierung verbessert deutsches BIP spürbar In Deutschland sind zwischen 2010 und 2011 rund 8,7 Prozent des Wachstums beim Bruttoinlandsprodukt und 7,7 Prozent der neu geschaffenen Arbeitsplätze auf den Ausbau von digitalen Infrastrukturen zurückführen. 6 4

3 Ausgaben und Wachstum Steigende Investitionen in Software und Services IT-Ausgaben der Industrie in Deutschland Trends Wachstum in Prozent Umsatz (Mrd. ) Wachstum (%) IT-Services Software IT-Hardware Mrd. Euro 20 20,0 20,8 21,7 6% 4,8% 4,5% 4,5% 4% 3,6% 3,5% 4,1% 10 2% 1,7% 3,0% 2,3% 1,6% 4,0% 4,0% % Quelle: Techconsult (2013) 27 5 Beschleuniger des digitalen Wandels in der Wirtschaft Innovative Funktionalität Hohe Akzeptanz, schnelle Verbreitung Preisdruck durch Rationalisierung von Dienstleistung Neue Finanzierungsmodelle (Werbung, Daten,...) Neue Wettbewerber durch Vernetzung Monopolisierung Verstärkungseffekte durch Skalierung Modulare Wertschöpfungsketten Automatisierung durch innovative Software Wegfall des Ortsprinzips im Markt Neuartige Geschäftsmodelle durch Synergie, Vernetzung und Verknüpfung Skalierungseffekte 6

4 Was treibt die digitale Revolution... Das Mooresche Gesetz: Die Leistung in der digitalen Hardware wächst exponentiell (Verdoppelung der Leistung alle 1 1/2 Jahre bei gleichem Preis) In 10 Jahren: Faktor 100 In 20 Jahren: Faktor Digitale Netze Übertragungsleistung wächst exponentiell Die Flexibilität programmierbarer Hardware: Die gleiche Hardware kann durch Programmierung (durch Software) für völlig unterschiedliche Aufgaben eingesetzt werden Beispiel Skype Die schier unbegrenzte Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten In nahezu jedem Anwendungsgebiet eröffnen Hardware/Softwaresysteme neue Möglichkeiten Informatiksysteme als Teil der Wirklichkeit erweiterte Wirklichkeit 7 Eingebettete Systeme Informatik Real World Aware Eingebettete Systeme der Informationsverarbeitung sind über Sensoren/Aktoren direkt mit Vorgängen der Realität verbunden, beeinflussen die Realität und werden von dieser beeinflusst. In den Systemen der Informatik entsteht ein technisches Abbild der Realität mit dem Ziel: Aussagen über die Realität treffen zu können, Auf Ereignisse der Realität zu reagieren, Die Realität zu beeinflussen. Es entsteht Rückkopplung zwischen den Systemen der Informatik und der Realität 8

5 Das Internet ein weltweites Netzwerk aus vielen Rechnern/Rechnernetzwerken, durch das Daten ausgetauscht werden ermöglicht die Nutzung von Internetdiensten wie , Telnet, Usenet, Dateiübertragung, WWW, zunehmend auch Telefonie, Radio und Fernsehen. Connectivity: jeder Rechner kann weltweit mit jedem anderen Rechner verbunden werden Datenaustausch über die technisch normierten Internetprotokolle 9 World Wide Web 10

6 World Wide Web World Wide Web: Netz von Informationen mit HTTP als Protokoll, mit dem der Browser Informationen vom Webserver anfordert HTML als Dokumentenbeschreibungssprache, die festlegt, wie die Information gegliedert ist und wie die Dokumente verknüpft sind (Hyperlinks) URLs als eindeutige Adresse (z. B. einer Webseite), die in Hyperlinks verwendet wird. Web 2.0: interaktiver und kollaborativer Elemente des www - social media Web 3.0: Semantische Web Future Internet - Mobile IP Internet der Dinge und Dienste - CPS 11 Das Internet der Dinge: Was ist das? Profane Idee: Dinge bekommen Internetadressen und werden mit dem Internet verbunden. Reichen die Internetadressen aus? IPv6: 128 bits - mehr als d.h. mehr als IP Adressen pro Kopf der Menschheit Etwas differenzierter Geräte (Ampeln, Handies, Autos, Flugzeuge, Gebäude,...) mit eingebetteten Softwaresystemen werden direkt ins Internet verbunden Tauschen wechselseitig Daten aus und nutzen wechselseitig Dienste Das Internet wird Real World Aware 12

7 Cyber-Physical Systems (CPS) Die Synergie und zunehmende Integration dreier zentraler Innovationsfelder Digitaler Technologie Eingebettete Systeme mobile Endgeräte Globale Netze (World Wide Web, Internet, Mobile TelCo) Hochleistungssoftwaresysteme führt auf Cyber-physical Systems (CPS)... der Bogen schließt sich! 13 Vernetzte Mobilität Beispiel: Autonomes Fahren 14

8 Individualverkehr der Zukunft 15 Vernetzte Industrie Industrie

9 Die Elemente der Digitalisierung Digitale Technologie Technology Push Informations- und Kommunikationstechnik Software Digitale Infrastruktur Geräte, eingebettete Systeme, Netze, Digitale Applikationen Market Pull Diverse Anwendungsfelder (Business, Verkehr, Medizin, Energie, Kommunikation, Unterhaltung, ) Digitale Wertschöpfungsketten Firmennetzwerke Digitale Geschäftsmodelle Business Opportunities 17 Digitale Technologie Technology Push Informations- und Kommunikationstechnik Exponentielles Wachstum der Leistungsfähigkeit Rechnen und Verarbeiten Übertragung Speicherung Miniaturisierung Mobilität durch Energieeffizienz Software Flexible Erstellung neuer Anwendungen (Apps, ) durch Open Source, Leistungsstarke Hochleistungssoftware (HPC, Big Data, ) Umfassende Funktionalitäten (Embedded Software ) Standardsoftware (SAP, Microsoft, ) Software mit hohem Assistenzwert (Google, ) 18

10 Digitale Infrastruktur Hohe Verbreitung der Geräte Desktops Laptops, Tablets Smart Phones Eingebettete Systeme Sensorik Aktuatorik Dedizierte Nutzerschnittstellen Netze Internet Mobiler Zugang (WLAN, mobile Telefonnetze) 19 Digitale Applikationen Market Pull Zahlreiche Anwendungsfelder Verkehr Finanzdienstleistung Engineering Entwicklung Produktion Medizin Kommunikation Soziale Netze Informationsdienste Unterhaltung Medien Vertrieb Energie 20

11 Digitale Wertschöpfungsketten - Firmennetzwerke Vernetzte Dienste B2B B2C Dienstplattformen Nutzung von Nutzerdaten Direkter Zugang zum Endverbraucher 21 Digitale Geschäftsmodelle Business Opportunities Kostenlose Dienste Einnahmen durch Datenakquise und Werbung Der digitale Wandel ist Chefsache! Das Google/Facebook-Geschäftsmodell Sharing Economy Start Ups Vertrieb über Netze Assistenzdienste Bewertungsportale by MERCURI URVAL DEUTSCHLAND 25. JUNI 2014 Die Digitale Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft revolutioniert Geschäftsmodelle und Unterne Vernetzte Welt - vernetztes Auseinandersetzung Fahrzeug Wolfsburg mit ihr 2015 in die Führungsetage Manfred und Broy nicht in die IT-Abteilung! Gefragt 22 sind Game Chang Game over! Neue Technologien und die durch sie ausgelösten Veränderungen begleiten den Menschen seit je her: Mit dem F Knochenmark, mit dem Rad schneller von einem Ort zum anderen, mit Funk wurden Informationen unabhängig v

12 Multifunktional Vernetzte Funktionen Feature Interactions Vernetzt mit der Umgebung Vernetzt mit der Cloud Context-Aware Automatisiert Autonom Human Centric Das Beispiel: Vernetztes Fahrzeug Über Accenture Presse Latest Thinking 23 Vernetztes Fahrzeug: Digitale Technologie Technology Push Informations- und Kommunikationstechnik Hochleistungs-CPUs Hohe Rechenleistung Umfassende Sensorik/Aktuatorik Wachsende Bandbreiten 1GBit/s On Board Zum Back End Latenzeit unter 1 ms Cloud Software Flexible Erstellung neuer Anwendungen (Apps, ), Umfassende vernetzte Funktionalitäten (Embedded Software ) Standardsoftware (Autosar, ) Software mit hohem Assistenzwert Continuous Integration/Test/Deployment/Delivery Accenture-Umfrage über Con vom vernetzten Auto wünsch Drucken Teilen Speichern 0 Fahrer und vernetzte D Interesse a Nachfrage der Industr Accenture durchgefüh China, Deu Spanien, S wie können Lesen Sie November 18 Durch den Besuch dieser Seite stimmen Sie zu, dass w 24 In Kontakt bleiben:

13 Vernetztes Fahrzeug: Digitale Infrastruktur Hohe Verbreitung der Geräte bis zu 100 CPUs Bussysteme drahtlose Vernetzung nach außen programmierbares MMI Eingebettete Systeme Sensorik Aktuatorik Dedizierte Nutzerschnittstellen Netze Internet Mobiler Zugang (WLAN, mobile Telefonnetze) 25 Vernetztes Fahrzeug: Digitale Applikationen Market Pull Zahlreiche Anwendungsfelder Assistenz Automatisierung Umfassende Sicherheit Personalisierung Shared Car Dienste Versicherung e-call... Predictive Maintenance Advanced Navigation Parking Services 26

14 Digitale Wertschöpfungsketten - Firmennetzwerke Vernetzte Dienste B2B B2C Dienstplattformen Nutzung von Nutzerdaten Direkter Zugang zum Fahrer 27 Digitale Geschäftsmodelle Business Opportunities Kostenlose Dienste Einnahmen durch Datenakquise,vermarktung und Werbung Das Google/Facebook-Geschäftsmodell Sharing Economy Car Sharing Start Ups Vertrieb über Netze Assistenzdienste Bewertungsportale Der digitale Wandel ist Chefsache! b y M E R C U R I U RVA L D E U T S C H L A N D 2 5. J U N I Die Digitale Transformation von Wirtschaft und Gesellschaft revolutioniert Geschäftsmodelle und Unternehme Auseinandersetzung mit ihr in die Führungsetage und nicht in die IT-Abteilung! Gefragt sind Game Changer, d Game over! 28 Neue Technologien und die durch sie ausgelösten Veränderungen begleiten den Menschen seit je her: Mit dem Faust Knochenmark, mit dem Rad schneller von einem Ort zum anderen, mit Funk wurden Informationen unabhängig vom O das weltumspannende Informationsnetz. Die modernen IT-Intelligenzen verlassen das Zeitalter 1.0 und 2.0 und gelang Wenn die Dinge und Inhalte aktiv untereinander kommunizieren und Systeme (z.b. Produktion, Verkehr, Wissen oder erreichen, ergeben sich ganz neue Möglichkeiten der Wertschöpfung.

15 Funktionalität Automatisiertes Fahren Assistenz Human Centric Engineering Architektur der Zukunft On Board Back End Schichten/Dienstarchitektur Security Safety Reliability Human Centric Big Data Recht Herausforderungen Konsequenzen für die Informatik vom Software zum Systems Engineering vom klassischen Algorithmus zum interaktiven Prozess von der abstrakten, diskreten, digitale Modellierung (zweiwertige Logik) zum Modellierung interaktiven Verhaltens Probabilistische Modelle Diskrete und kontinuierliche Zeit Kontinuierlicher Input/Output (Regelungstechnik) Informatik als Teil unserer Wirklichkeit Wirkung von Informatiksystemen in komplexen Umgebungen Modellierung des operationellen Kontextes 30

16 Eine Fülle von Fragen wissenschaftlich und für das Engineering... Wie den operationellen Kontext modellieren? Ist selbst wieder System Multi-Funktionalität, Feature Interactions Erfordert Software probabilistische Modelle? Was bedeutet der Begriff funktionale Anforderungen dann? Was heißt interaktiv berechenbar? Wie verändert sich die Theorie der Berechenbarkeit und der Berechnungskomplexität bei der Betrachtung vom Zeit Interaktion Was sagt die Theorie der Berechenbarkeit und Berechnungskomplexität über die physikalische Welt aus? Von der scharfen zur unscharfen Information Die Welt und unsere Begrifflichkeit ist inhärent unscharf Formen der Unschärfe und unsicheres Wissen Mehrdeutigkeit unterschiedliche Interpretationen Fehlende Präzision Ungenauigkeit Unvollständige Information und ihre Modellierung durch Nichtdeterminismus Wahrscheinlichkeit Fuzzy Logic... 32

17 Das Beispiel: Korrektheit von Software Klassisch: Scharfe Korrektheit schwarz oder weiß Ein System/Programm ist korrekt oder nicht Unscharfe Korrektheit: Korrekt bis zu einem gewissen Grad Korrekt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit Korrekt über eine bestimmte Zeit Herausforderung Spezifikation Verifikation in der Gegenwart von Unschärfe 33 Beispiel: Suche Unschärfe in den Anforderungen Anforderung: Das System liefert auf Anfrage das günstigste Angebot zur gesuchten Ware! Fragen über Fragen: Was heißt das günstigste Angebot (Nettopreis, Lieferkosten, Lieferzeit, Bezahlweise,... )? Mit welcher Wahrscheinlichkeit? Am günstigsten bezogen auf welchen Zeitpunkt? 34

18 Formalisierung unscharfer Korrektheit Gegeben: Menge T A* von Strömen von korrekten Ausgabesequenzen Ausgabe t A* ist korrekt, falls t T Erweiterung: Menge T` von nahezu korrekten Ausgaben Definiere Distanz d(t, t ) zwischen Ausgaben: t ist korrekter als t falls min { d(t, t ): t T } < min { d(t, t ): t T } Das Resultat t A* ist mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit korrekt: p(t T) > 0.9 p(min { d(t, t ): t T } < 0.1 ) > 0.9 Fuzzy: Das Resultat t A* ist weitgehend korrekt 35 Fazit Die Möglichkeiten und Herausforderungen der vernetzten Systeme sind nahezu unbegrenzt Ortsunabhängigkeit und Mobilität Vernetzung Konnektivität Einbindung an Prozesse der Realität Physikalität Semantische Interpretation Context Awareness - Situativität Big Data Data Mining Distributed Control Selbstorganisation Autonomie Dienstorientierung - Interoperabilität... Industrie 4.0 steht für die nächste Welle der industriellen Revolution die Welle hat uns bereits erreicht Informatik 4.0 zielt auf die erforderlichen Konzepte, um das zu bewältigen. Dies erfordert auch eine wissenschaftstheoretische Auseinandersetzung mit unserem Fach Informatik 36

19 Everyone here has the sense that right now is one of those moments when we are influencing the future. Steve Jobs